双极膜的应用与展望Word文档下载推荐.docx

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当离子基团是阴离子时，阳离子可以与其中的阴离子基团结合，进入膜内，在直流电场的作用下，阳离子可在膜内沿电场方向向阴极方向迁移，进而到达膜的另一侧，而阴离子由于同电相斥原理，而不能进入并穿过该膜，简言之，它只允许阳离子通过，所以这种膜被称为阳离子交换膜，与之相反，当离子基团是阳离子时，它只允许阴离子通过，故此称之谓阴离子交换膜。

二、双极膜

双极膜是在同一张离子交换膜上，一侧带有固定阴离子基团（称之为阳离子交换层），而另一侧带有固定阳离子基团（称之为阴离子交换层）它的这一结构赋予了该膜的一些特殊性能。

一方面阴离子和阳离子均不能穿过该膜，另一方面，它能把水分子离解成H+和OH-，并在“正”直流电场作用下，分别从阳离子交换层和阴离子交换层迁出，该膜称之为双极膜。

它的工作原理如图1：

图1：

双极膜工作原理

三、双极膜电渗析原理

双极膜与阳离子交换膜和阴离子交换膜同时或分别进行组合，构成双极膜电渗析单元，双极膜电渗析单元有三种，即：

双极膜与阴、阳离子交换膜组合；

双极膜与阳离子交换膜组合；

双极膜与阴离子交换膜组合，三种组合型式可在实际应用中实现不同的分离效果，它们的工作原理如下：

1、双极膜与阴离子交换膜和阳离子交换膜的组合（如图2）

BP——双极膜C——阳离子交换膜A——阴离子交换膜

+——阳离交换膜（层）-——阴离子交换膜（层）

M+——阳离子A-——阴离子

图2：

双极膜与阴、阳离子交换膜组合单元工作原理图

从图中可以看出，在电场的作用下，盐室阳离子向阴极方向迁移，通过阳离子交换膜进入碱室，与双极膜电离出的OH-结合生成碱，而盐室中的阴离子则向阳极方向迁移，通过阴离子交换膜进入酸室，与双极膜电离出的H+结合形成酸，这样，盐室中的盐被脱除，并转化为相应的酸和碱。

这种组合型式适用于强酸强碱盐的分离过程。

2、双极膜与阳离子交换膜的组合（如图3）

离子交换膜进入酸室，与双极膜电离出的H+结合形成酸，剩下的阳离子与双极膜电离出的OH-结合形成碱，盐室形成碱与盐的混合物，这种组合形式使用于强酸弱碱盐的分离和酸回收过程。

四、双极膜电渗析器的工作原理

双极膜电渗析器是由上述的一种多个双极膜电渗析单元叠加在一起和两端的电极组成，由于双极膜电渗析单元有三种，因此，双极膜电渗析器也有三种，由多个双极膜与阴、阳离子交换膜组成的双极膜电渗析单元叠加而成的双极膜电渗析器称为三室双极膜电渗析器，由多个双极膜与阳离子交换膜组成的双极膜电渗析单元叠加而成的双极膜电渗析器称为单阳膜二室双极膜电渗析器，由多个双极膜与阴离子交换膜组成的双极膜电渗析单元叠加而成的双极膜电渗析器称为单阴膜二室双极膜电渗析器。

1、三室双极膜电渗析器工作原理（如图5）

+——阳离交换膜（层）-——阴离子交换膜（层）+-——双极膜

图5：

三室双极膜电渗析器工作原理图

根据上图看出三室双极膜电渗析器可将盐转变为酸和碱，盐得到脱除。

可用于强碱强酸盐的分离。

2、单阳膜二室双极膜电渗析器工作原理（如图6）

+——阳离交换膜（层）+-——双极膜

图6：

单阳膜二室双极膜电渗析器工作原理图

根据上图可以看出，单阳膜二室双极膜电渗析器可将盐转化为碱和稀盐与酸的混合物，可用于碱回收和强碱弱酸的分离。

3、单阴膜二室双极膜电渗析器工作原理（如图7）

图7：

单阴膜二室双极膜电渗析器工作原理图

从图中可以看出，单阴膜二室双极膜电渗析器可将盐转化为酸和稀盐

与碱的混合物，可用于酸回收和强酸弱碱的分离。

五、双极膜电渗析器的优缺点。

1、双极膜电渗析器的优点

（1）双极膜电渗析器的主要特性是将水溶性（或其它溶剂）盐转化为相应的酸和碱的溶液，它不发生氧化还原反应，对于一些易被氧化或还原的产品来说，可得到预期的产物，而电解则有氧化还原反应。

如氯化钠的电解的总反应式为：

而双极膜电渗析器的反应为：

尽管双极膜电渗析器在两极也发生氧化还原反应，但它与电解相比量很小，另外，两个极室与中间的单元是独立的，极少混入产物中。

（2）相对电解，双极膜电渗析器使用的电极较少，这样会减小设备体积和投资，避免了大量的电极消耗和电极能耗。

（3）实现酸碱的循环使用。

达到零排放，节约资源，对于一些在生产过程中使用酸碱形成盐的场何，可利用产生的盐转化为酸碱，实现循环使用，它的费用远低于购入酸碱的费用，这样可以降低产品的生产成本和废物排放，并避免了新购入酸碱所带来的一些新杂质，为后续产品的精制减轻了负担，提高了产品质量，对于使用酸或碱而产生“废酸”或“废碱”的场何，可利用双极膜电渗析将其纯化回收循环使用，达到减少排放，降低废水处理费用，实现废水的零排放之目的，另外，还可以避免废水对产品的夹带，提高产品收率。

2、双极膜电渗析器的缺点

（1）由于各种离子交换膜的选择透过性不是100%，因此，所产出的酸和碱均带有一定量的盐，能进一步精制尚可，对不能精制而对产品纯度要求又较高的场何，这一缺点是致命的。

（2）对进入设备的溶液中的杂质，特别是高价阳离子要求较高，需精制。

（3）产品的浓度稍低。

六、双极膜的应用与展望

1、无机化工方面

一般情况下，水溶性无机盐制水溶性无机酸和水溶性无机碱以及水溶性无机酸和水溶性的无机碱的回收，均可通过双极膜电渗析来实现，

如钾盐：

KClDNO3KFK2SO4KClO3KClO4KBF4等等；

钠盐：

NaClNaNO3Na2SO4NaClO3NaClO4Na2B4O7NaBrNa2SO3等等；

铵盐：

NH4Cl（NH4）2B4O7NH4Br（NH4）2SO3NH4NO3NH4F等等，均能得到相应的酸和碱，但用于生产酸碱作为产品销售，它的经济性，产品结构的适应性，质量指标的适应性均有待进一步考查，对于以上废盐制酸碱并实现循环利用这是可行的。

现在一般市售碱均为氯盐法，含有一定量的氯离子，一些对氯离子有严格要求的产品能否使用含有其它阴离子杂质的碱来合成，这也是一个非常值得研究的问题。

基于双极膜电渗析的这一特性，对于一些无机化工生产过程有着极其特殊的意义。

在海水提溴过程中，海水首先要进行酸化，然后通氯氧化、空气吹除碱吸收。

这一过程需耗用酸和碱，如用双极膜电渗析，将海水酸化同时制碱，碱用于吸收溴素，这一过程可与海水淡化工程相结合，利用海水淡化后的浓水，除提溴外还可制碱和酸，避免浓水回海，造成海水盐度增加破坏海洋生态，可谓一举多得。

在氯碱生产过程中，同样存在类似问题，精盐电解前需酸化，而粗盐液精制前要进行碱化，如利用双极膜电渗析，将精盐酸化，将制得的碱应用于粗盐液精制，可节省大量酸碱，降低能耗。

在烷基化反应中，采用HF做为催化剂，洗液是KF，通过双极膜电渗析转化为HF循环使用，而氢氧化钾则用于HF酸洗液。

对于一些多酸盐类化合物的制取可用单阳膜双室双极膜电渗析进行转化。

如重铬酸钠的制备，一般是用铬酸钠进行酸化，然后分离制得，如果利用双极膜电渗析，从铬酸钠分子中移出一个钠离子，利用双极膜产生的H+实现“无阴离子酸化”，这在化工生产中无疑是一个新的酸化方式，类似的还有，如钨酸铵生产偏钨酸铵，钼酸铵转化为仲钼酸铵。

这一过程对后续分离精制带来极大的方便，提高了产品的纯度。

在一些金属氢氧化物和金属氧化物，特别是无机颜料的生产过程中，消耗酸碱，并副产含盐废水，在有些产品生产工艺中可实现酸碱的循环利用，在这方面有很大的应用空间，值得去探讨和实验，如钼酸生产过程中消耗氨水和硝酸，转化为硝酸铵，生成酸碱可循环利用；

碱法活性氧化铝生产过程中，使用氢氧化钠和硝酸，副产硝酸钠，转化成酸碱可循环使用；

碱法钛白粉生产大量使用氢氧化钠和硫酸副产硫酸钠，由于使用的酸浓度不是很高，因此也可以利用双极膜电渗析分离出酸碱并循环利用；

苦卤粉生产活性氧化镁等等。

另外，一些产品利用双极膜电渗折来生产工艺也值得探讨，如BaCl2+NaOH+生产Ba（OH）2。

能否采用双极膜法；

二氧化氯生产，一般采用氯酸钠酸性条件下用还原剂还原，能否采用双极膜电渗折脱钠酸化，再进行还原；

菱镁矿制氢氧化镁，副产氯化铵的循环利用；

离子交换树脂转型废液处理等等。

2、在湿法冶金与金属加工方面

双极膜电渗析在湿法冶金和金属加工领域的污水治理和酸碱循环利用方面有着极其重大的意义，越来越受到人们的关注。

在湿法冶金与金属加工行业的生产过程中，会有大量含金属离子的酸溶液、碱溶液以及盐溶液产生，它的循环再利用会大大降低它们的生产成本，同时也适应了当前企业面临的节能减排，保护自然环境的要求；

生产成本的降低和冶炼技术的提高会使当前一些低品位矿物也有其利用的价值，从而大大缓解资源紧缺状况。

但应用时会涉及传统工艺的一些改变，还需做大量的基础研究工作，一些被认为污染大，消耗高的老工艺可能被重新使用或改进，扬其长，避其短。

湿法冶金的废盐主要来源于酸浸或碱溶后的溶液调整酸、碱度的中和过程，以及皂化萃取剂时发生的交换反应，这些废盐分离成酸碱，实现流程的闭路循环，可实现真正的污水零排放。

金属加工的废液主要来源于酸洗，这些废液可通过中和沉淀脱除其中的金属离子（如：

铁、钙、重金属），盐液分离成酸碱后可分别用于酸洗、中和沉淀，使酸、碱闭路循环实现污水零排放和有用资源的有价回收。

例1：

低品位冰铜处理

例

2：

三氧化二钼生产过程

例3：

不锈钢酸洗液处理工艺

以上的工艺中均可实现闭路无污染工艺，减少了传统工艺中的二次污染。

3、在废气处理方面

在一些焚烧废气治理中，一些有害气体的富集回收方面，双极膜电渗析也有广阔的应用前景，石化尾气焚烧、煤电厂烟道气脱硫等，如煤电厂脱硫，现行的方法大部分为石灰法，部分是氧化镁法，产生大量废渣，利用价值很低，氧化镁法煅烧回收氧化镁和二氧化硫，能耗和二次污染也存在很大问题，采用双极膜电渗析法上述问题可以得到很好的解决，工艺流程如下：

该工艺中Na2SO4可用三室双极膜电渗析生产出硫酸，碱和稀盐，碱和稀盐进入碱室，也就是该工艺有两个副产物，一是高浓度SO2（95%）；

二是稀硫酸。

回收的SO2用于生产硫酸，可取代用硫磺法生产硫酸和三氧化硫，这个量是相当大，并且操作稳定，吸收率高，生产环境清洁。

4、有机化工方面

（一）有机酸类产品的生产

有机酸类是指酸类（一元酸、多元酸、氨基酸等）配类，巯基化合物（如硫醇类）磺酸类等，但能直接利用双极膜电渗析将其碱金属盐转化为酸和碱或从混合物中分离出来的有机酸大多是在水中有一定溶解度的，少数在一些极性溶剂中有一定溶解度的也可实现，但此类产品生产的电耗可能要高些。

与传统的钙盐法相比，它不使用成分复杂的石灰（石）也不消耗硫酸，避免大量废盐的产生，